(57)【要約】  ケイ素含有材料（例えば、ケイ素金属及び／又はケイ化物）と、約０．００１％〜約８５％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、を含む組成物が提供される。ケイ素系層は、基板の直接表面上のボンドコーティングであり得る。代替的に又は追加的に、ケイ素系層は基板の表面を画定する外層であってもよく、基板の表面上に耐環境コーティングを有する。被覆部品、並びにセラミック部品を被覆する方法もまた提供される。このようなセラミック部品を含むガスタービンエンジンもまた提供される。
2019529314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を画定する基板であって、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料から形成される、基板と、
前記基板の表面上に直接ボンドコーティングを形成するケイ素系層であって、ケイ素含有材料と、約０．００１％〜約８５％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、を含む、ケイ素系層と、
を含む、セラミック部品。
【請求項２】
Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の少なくとも１つは、前記ボンドコーティング上に形成された酸化ケイ素スケールと反応するか、又は酸化ケイ素スケールに溶解し、前記酸化ケイ素スケールの結晶化を抑制する、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項３】
前記ケイ素含有材料はケイ素金属である、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項４】
熱成長酸化物が前記ボンドコーティング上に存在し、ここで、熱成長酸化物層は、約１４１５℃以下の動作温度まで非晶質のままである、請求項３に記載のセラミック部品。
【請求項５】
前記ケイ素含有材料はケイ化物を含む、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項６】
熱成長酸化物が前記ボンドコーティング上に存在し、ここで、熱成長酸化物層は、約１４８５℃以下の動作温度まで非晶質のままである、請求項５に記載のセラミック部品。
【請求項７】
前記ケイ化物は、ケイ化モリブデン、ケイ化レニウム、又はそれらの混合物を含む、請求項５に記載のセラミック部品。
【請求項８】
前記ケイ素系層上の耐環境コーティング
をさらに含む、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項９】
Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の少なくとも１つは、前記ケイ素含有材料内に連続粒界を形成する、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項１０】
Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の少なくとも１つは、前記ケイ素含有材料内に不連続粒子相を形成する、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項１１】
Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の少なくとも１つは、前記ケイ素含有材料と反応しない、請求項１に記載のセラミック部品。
【請求項１２】
前記ケイ素系層は、ケイ素含有材料と、約０．００１％〜約８５％のＧａ含有化合物と、を含む、請求項１〜１１の何れか１項に記載のセラミック部品。
【請求項１３】
前記Ｇａ含有化合物は、
ＧａＮ；
Ｇａ２Ｏ３；
Ｇａ２−ｘＭｘＯ３（ここでＭは、ｘが０〜約２であるＩｎ、ｘが０〜約１．４であるＡｌ、ｘが０〜約１．４であるＢ、ｘが０〜約１．４であるＦｅ、又はそれらの混合物である）；
最大約１０モル％のＧａ２Ｏ３でドープされた、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、又はそれらの組み合わせ；
Ｌｎ２−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＳｉ２Ｏ７（ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０より大きく約１までであり、ｙは０〜約１である）；
Ｌｎ２−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＳｉ２Ｏ５（ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０より大きく約１までであり、ｙは０〜約１である）；
Ｌｎ４−ｘＤｘＧａ２−ｙＩｎｙＯ９（ここで、Ｌｎは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、又はそれらの混合物であり、Ｄは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ＤはＬｎとは異なり、ＤがＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、又はそれらの混合物である場合にｘは０〜４未満であり、ＤがＥｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物である場合にｘは０〜約２であり、ｙは０〜約１である）；
Ｌｎ３Ｇａ５−ｘＭｘＯ１２（ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、Ｍは、０≦ｘ＜５であるＩｎ、０≦ｘ＜５であるＡｌ、０≦ｘ＜５であるＦｅ、０≦ｘ≦２．５であるＢ、又はそれらの組み合わせである）；及び
それらの混合物；
からなる群から選択される、請求項１２に記載のセラミック部品。
【請求項１４】
前記ケイ素系層は、ケイ素含有材料と、約０．００１％〜約８５％のＩｎ含有化合物と、を含む、請求項１〜１１の何れか１項に記載のセラミック部品。
【請求項１５】
前記Ｉｎ含有化合物は、
ＩｎＮ；
Ｉｎ２Ｏ３；
Ｉｎ２−ｘＭｘＯ３（ここでＭは、ｘが０〜約２であるＧａ、ｘが０〜約１．４であるＡｌ、ｘが０〜約１．４であるＢ、ｘが０〜約１．４であるＦｅ、又はそれらの混合物である）；
約０．１モル％〜約１０モル％のＩｎ２Ｏ３でドープされた、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、又はそれらの組み合わせ；
Ｌｎ２−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＳｉ２Ｏ７（ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０〜約１であり、ｙは０より大きく約１までである）；
Ｌｎ２−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＳｉ２Ｏ５（ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０〜約１までであり、ｙは０より大きく約１までである）；
Ｌｎ４−ｘＤｘＩｎ２−ｙＧａｙＯ９（ここで、Ｌｎは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、又はそれらの混合物であり、Ｄは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０〜約２であり、ｙは０〜約１である）；及び
それらの混合物；
からなる群から選択される、請求項１４に記載のセラミック部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年９月１６日に出願された米国特許出願第１５／２６７，３３５号；２０１６年９月１６日に出願された米国特許出願第１５／２６７，３７０号；及び２０１６年９月１６日に出願された米国特許出願第１５／２６７，４００号に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、ケイ素系コーティング中にガリウム（Ｇａ）及び／又はインジウム（Ｉｎ）化合物を含ませることに関する。特に、Ｇａ及び／又はＩｎを含有するケイ素系コーティング（例えば、ケイ素ボンドコーティング）は、一般に、セラミック部品用の耐環境コーティングに使用するために提供される。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンでは、それらの効率を改良するために、より高い動作温度が絶えず求められている。しかしながら、動作温度が高まると、それに応じてエンジンの部品の高温耐久性も高めなければならない。高温性能の著しい進歩は、鉄系、ニッケル系、及びコバルト系超合金の配合によって達成されてきた。それでもなお、超合金から構成された多くの高温ガス経路（ｈｏｔ  ｇａｓ  ｐａｔｈ）部品では、部品を断熱するために遮熱コーティング（ＴＢＣ）を利用することができ、耐負荷（ｌｏａｄ−ｂｅａｒｉｎｇ）合金とコーティング表面との間にかなりの温度差を維持し、従って、構造部品の熱への暴露を制限することができる。
【０００４】
超合金は、ガスタービンエンジン全体にわたって、特により高温のセクションにおいて使用される部品に広く使用されているが、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料などの代替のより軽量の基板材料が提案されている。ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部品を、高温エンジンセクションの過酷な環境からそれらを保護するために、耐環境コーティング（ＥＢＣ）で被覆することができる。ＥＢＣは、高温燃焼環境内の腐食性ガスに対して緻密な気密シールを提供することができる。
【０００５】
炭化ケイ素及び窒化ケイ素セラミックは、乾燥した高温環境で酸化を受ける。この酸化は、材料の表面上に不動態酸化ケイ素スケールを生成する。タービンエンジンのような水蒸気を含む湿った高温環境では、酸化と後退（ｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）の両方が、不動態酸化ケイ素スケールの形成及びそれに続く酸化ケイ素のガス状水酸化ケイ素への変換により起こる。湿った高温環境における後退を防ぐために、耐環境コーティング（ＥＢＣ）が炭化ケイ素及び窒化ケイ素材料上に堆積される。
【０００６】
現在、ＥＢＣ材料は、希土類ケイ酸塩化合物から作られている。これらの材料は水蒸気を閉め出し（ｓｅａｌ  ｏｕｔ）、それが炭化ケイ素又は窒化ケイ素表面上の酸化ケイ素スケールに達するのを防ぎ、それによって後退を防ぐ。しかしながら、そのような材料は酸素浸透を防ぐことができず、その結果、下にある基板の酸化をもたらす。基板の酸化は、酸化炭素系又は酸化窒素系ガスの放出と共に、不動態酸化ケイ素スケールをもたらす。酸化炭素系（すなわち、ＣＯ、ＣＯ２）又は酸化窒素系（すなわち、ＮＯ、ＮＯ２など）のガスは、緻密なＥＢＣを通って逃げることができず、従って、膨れが形成される。ケイ素ボンドコートの使用は、今日までのこの膨れの問題に対する解決策であった。ケイ素ボンドコートは、ガス状副生成物を遊離させることなく、酸化する（ＥＢＣの下に不動態酸化ケイ素層を形成する）層を提供する。
【０００７】
しかしながら、ケイ素金属の融点は比較的低いので、ケイ素ボンドコートの存在はＥＢＣに対する上限動作温度を制限する。使用の際は、酸化ケイ素の熱成長酸化物（ＴＧＯ）層が、多層ＥＢＣ系のケイ素金属ボンドコートの上面に形成される。この酸化ケイ素スケールは１２００℃以下の温度で、時には１３１５℃以下の温度でさえ、非晶質のままであるが、この特性はボンドコートがこの温度に曝される時間にも依存する。より高い温度で、又は少量の水蒸気がＥＢＣを介してボンドコートまで浸透すると、酸化ケイ素スケールは結晶化し（例えば、クリストバライト（ｃｒｉｓｔｏｂｌａｔｅ）になり）、それは冷却時に大きな体積変化を伴う相転移を起こす。体積変化はＥＢＣコーティング剥離につながる。
【０００８】
このように、ＥＢＣに対してより高い動作温度限界を達成するために、ＥＢＣにおけるケイ素ボンドコートの特性を改善することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の態様及び利点は、以下の説明に部分的に記載されているか、又はその説明から明らかであり得るか、又は本発明の実施を通じて習得することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ケイ素含有材料（例えば、ケイ素金属及び／又はケイ化物）と、約０．００１％〜約８５％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、を含む組成物が一般に提供される。例えば、ケイ素系層は、基板の直接表面上のボンドコーティングであり得る。代替的に又は追加的に、ケイ素系層は基板の表面を画定する外層であってもよく、基板の表面上に耐環境コーティングを有する。
【００１１】
一実施形態では、複数のＣＭＣプライを含み、且つ表面を画定するセラミック部品と、セラミック部品の直接表面上のボンドコーティングであって、このような組成物を含む、ボンドコーティングと、を含む被覆部品がまた、一般に提供される。
【００１２】
セラミック部品を被覆する方法もまた、一般に提供される。一実施形態では、ボンドコーティングがセラミック部品の直接表面上に適用され、ここでボンドコーティングは、ケイ素金属と、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の少なくとも１つと、を含む。
【００１３】
このようなセラミック部品を含むガスタービンエンジンもまた、一般に提供される。
【００１４】
本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照してより良く理解されるであろう。本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、その説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【００１５】
当業者に向けられた本発明の完全で有効な開示は、その最良の形態を含めて、添付の図面を参照して、本明細書に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ケイ素系層を含む例示的なセラミック部品の側断面図である。
【図２】ケイ素系層上に熱成長酸化物層を含む、図１の例示的なセラミック部品の側断面図である。
【図３】ケイ素系層を含む別の例示的なセラミック部品の側断面図である。
【図４】ケイ素系層上に熱成長酸化物層を含む、図３の例示的なセラミック部品の側断面図である。
【図５】本主題の様々な実施形態による例示的なガスタービンエンジンの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書及び図面での参照符号の繰り返しの使用は、本発明の同一又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。
【００１８】
ここで本発明の実施形態を詳細に参照し、その１つ又は複数の実施例を図面に示す。各実施例は本発明の説明として提供され、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明において様々な修正及び変形をなし得ることが、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示又は説明されている特徴を別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を生み出すことができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内に入るようなそのような修正及び変形を網羅することが意図されている。
【００１９】
本明細書で使用される場合、用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために交換可能に使用され得、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図しない。
【００２０】
化学元素は、元素の周期表に一般的に見られるものなどの、それらの一般的な化学略語を使用して、本開示において議論される。例えば、水素はその一般的な化学略語Ｈによって表される；ヘリウムはその一般的な化学略語Ｈｅによって表される；など。本明細書で使用される場合、「Ｌｎ」は、希土類元素又は希土類元素の混合物を指す。より具体的には、「Ｌｎ」は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、又はそれらの混合物の希土類元素を指す。
【００２１】
本開示では、層が別の層又は基板の「上（ｏｎ）」又は「上方（ｏｖｅｒ）」にあると記載されている場合、明確に反対の記載がない限り、それらの層は互いに直接接触しているか、又はそれらの層の間に別の層又は特徴を有することができると理解されるべきである。従って、これらの用語は単に、それらの層の互いに対する相対位置を説明するものであり、上下の相対位置は観察者に対する装置の向きに依存するので必ずしも「上にある」ことを意味するわけではない。
【００２２】
Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物を含むケイ素系コーティングは、一般に、それらの形成方法と共に、セラミック部品用の耐環境コーティングで使用するために提供される。特定の実施形態では、耐環境コーティング（ＥＢＣ）用のケイ素系ボンドコーティングは、一般に、その形成方法及び使用方法と共に、高温セラミック部品用に提供される。特に、ケイ素系ボンドコーティングは、ＥＢＣ内のケイ素系ボンドコーティング上の熱成長酸化物（「ＴＧＯ」）の結晶化を防止するためにＧａ及び／又はＩｎを含有する化合物を含み、これにより、ＴＧＯのこのような結晶化によって引き起こされるコーティングの剥離が防止される。すなわち、ケイ素系ボンドコーティング内へのＧａ及び／又はＩｎの導入は、ＴＧＯ（すなわち、ＳｉＯ）を非晶質相に維持する。従って、ケイ素系ボンドコーティング（従ってＴＧＯ及びＥＢＣコーティング）の動作温度を上昇させることができる。さらに、Ｇａ及び／又はＩｎの含有は、ＴＧＯの成長速度を大幅に加速させることなく、ＴＧＯの結晶化を抑制及び防止することができる。さらに、Ｇａ含有化合物及び／又はＩｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、制限された酸化ケイ素との反応及び／又は酸化ケイ素への溶解度を有し、そのことは、酸化物スケールの成長速度を制限することができる。
【００２３】
図１〜図４は、基板１０２と、ケイ素系層１０４ａ（図１）、１０４ｂ（図３）と、からそれぞれ形成されたセラミック部品１００の例示的な実施形態を示す。ケイ素系層１０４ａ、１０４ｂのそれぞれは、ケイ素含有材料と、約０．００１％〜約８５％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物、例えば、約１重量％〜約６０重量％（例えば、約１重量％〜約５０重量％、例えば約１重量％〜約２５重量％など）のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、を含む。一般に、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、ケイ素系層１０４ａの組成物（例えば、ケイ素金属）と反応しない。
【００２４】
一実施形態では、ケイ素系層１０４ａは、互いに絡み合った連続相で、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、ケイ素含有材料（例えば、ケイ素金属、ケイ化物など）と、を含んでもよい。例えば、ケイ素含有材料と、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物とは、約０．００１体積％〜約８５体積％、例えば約１体積％〜約６０体積％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物（例えば、約４０体積％〜約６０体積％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物）を有する絡み合った連続相である。例えば、ケイ素系層１０４ａは、約１５体積％〜約８５体積％でＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物を含むことができ、残りはケイ素含有化合物である。
【００２５】
別の実施形態では、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、ケイ素含有材料内に（例えば、ケイ素含有材料の連続相内に）分散された複数の不連続相、例えば不連続粒子相を形成する。そのような実施形態では、ケイ素系層１０４ａは、約０．００１体積％〜約４０体積％、例えば約１体積％〜約２５体積％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物（例えば、約１体積％〜約１０体積％のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物）を含むことができる。
【００２６】
特定の一実施形態では、基板１０２はＣＭＣ材料（例えば、ケイ素系の非酸化物セラミックマトリックス複合材など）から形成される。本明細書で使用される場合、「ＣＭＣ」とは、ケイ素含有又は酸化物−酸化物のマトリックス及び強化材料を指す。本明細書で使用される場合、「モノリシックセラミック」は、繊維強化のない（例えば、マトリックス材料のみを有する）材料を指す。本明細書では、ＣＭＣ及びモノリシックセラミックをまとめて「セラミック」と呼ぶ。
【００２７】
本明細書での使用に許容可能なＣＭＣの幾つかの例としては、限定はしないが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、及びそれらの混合物などの非酸化物ケイ素系材料を含むマトリックス及び強化繊維を有する材料を挙げることができる。例としては、限定はしないが、炭化ケイ素マトリックス及び炭化ケイ素繊維；窒化ケイ素マトリックス及び炭化ケイ素繊維；及び、炭化ケイ素／窒化ケイ素マトリックス混合物及び炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣが挙げられる。さらに、ＣＭＣは、酸化物セラミックからなるマトリックス及び強化繊維を有することができる。具体的には、酸化物−酸化物ＣＭＣは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、アルミノケイ酸塩、及びそれらの混合物などの酸化物系材料を含むマトリックス及び強化繊維から構成され得る。アルミノケイ酸塩は、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）などの結晶質物質、並びにガラス状アルミノケイ酸塩を含むことができる。
【００２８】
図１の実施形態では、基板１０２は、その上に形成されたコーティング１０６を有する表面１０３を画定する。コーティング１０６は、ケイ素系層１０４ａ及び耐環境コーティング１０８を含む。特定の一実施形態では、ケイ素系層１０４ａはボンドコーティングであり、ここでケイ素含有材料は、ケイ素金属、ケイ化物（例えば、希土類ケイ化物、ケイ化モリブデン、ケイ化レニウム、又はそれらの混合物）、又はそれらの混合物である。一実施形態では、一般に、ケイ素金属と、例えば上記の相対量（例えば、約０．０１体積％〜約８５体積％）のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、を含む組成物が提供される。代替実施形態では、一般に、ケイ化物（例えば、希土類ケイ化物、ケイ化モリブデン、ケイ化レニウム、又はそれらの混合物）と、例えば上記の相対量（例えば、約０．０１体積％〜約８５体積％）のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物と、を含む組成物が提供される。
【００２９】
使用中、ボンドコーティングの表面に熱成長酸化物（「ＴＧＯ」）層が形成される。例えば、酸化ケイ素の層（「酸化ケイ素スケール」又は「シリカスケール」と呼ばれることもある）が、ケイ素金属及び／又はケイ化物のボンドコーティング上に形成される。図２を参照すると、熱成長酸化物層１０５（例えば、酸化ケイ素）は、部品１００の（例えば製造中及び／又は使用中の）酸素への暴露の間の形態として、ケイ素系層１０４ａ（例えば、ケイ素金属及び／又はケイ化物であるケイ素含有材料を有するボンドコーティング）上に直接示されている。ケイ素系層１０４ａ内のＧａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の存在により、熱成長酸化物層１０５はその動作温度で実質的に非晶質のままであり、「動作温度」とは、熱成長酸化物層１０５の温度を指す。例えば、ケイ素金属ボンドコーティングの場合、ＴＧＯ層は、約１４１５℃以下（例えば、約１２００℃〜約１４１０℃）の動作温度で非晶質のままであり得、これは、ケイ素系ボンドコーティングの融点を僅かに下回る温度である（Ｓｉ金属は約１４１４℃の融点を有する）。別の例では、ケイ化物ボンドコーティングの場合、ＴＧＯ層は、約１４８５℃以下（例えば、約１２００℃〜約１４１５℃）の動作温度で非晶質のままであり得、これは、ＣＭＣの最大使用温度を僅かに下回る温度である。いかなる特定の理論にも束縛されることを望まないが、ケイ素系層１０４ａ中のガリウム及び／又はインジウムは熱成長酸化物層１０５に移動し、そうでなければこれらの温度で起こるであろう熱成長酸化物層（例えば、酸化ケイ素）の結晶化を抑制すると考えられる。いかなる特定の理論にも束縛されることを望まないが、現在は、Ｎａ及び／又はＫなどの不純物が非晶質ケイ素含有材料の結晶化を引き起こすことをＧａ及び／又はＩｎが抑制すると考えられている。
【００３０】
図１及び図２に示す実施形態では、ケイ素系層１０４ａは、その間にいかなる層も有さずに、表面１０３上に直接存在する。しかしながら、他の実施形態では、１つ又は複数の層をケイ素系層１０４ａと表面１０３との間に配置することができる。
【００３１】
図３は、基板１０２が、基板１０２の表面１０３を画定する外層１０４ｂを有する、セラミック部品１００の別の実施形態を示す。すなわち、外層１０４ｂは、基板１０２と一体である。この実施形態では、外層１０４ｂはケイ素系層であり、コーティング１０６は表面１０５上にある。コーティング１０６は、耐環境コーティング１０８及び／又は他の層（例えば、ボンドコーティングなど）を含むことができる。一実施形態において、外層１０４ｂは、ケイ素含有モノリシックセラミック層であり得る。例えば、外層１０４ｂは、炭化ケイ素を含み得る。一実施形態では、基板１０２は、基板の残りの部分を形成する複数のＣＭＣプライ上に、（例えば、モノリシックセラミック層として炭化ケイ素を含む）外層１０４ｂを含むことができる。
【００３２】
図４は、部品１００の（例えば製造中及び／又は使用中の）酸素への暴露の間の形態として、ケイ素系層１０４ｂ（例えば、ケイ素金属であるケイ素含有材料を有するボンドコーティング）上に直接、熱成長酸化物層１０５（例えば、酸化ケイ素）が示されている。ケイ素系層１０４ｂ内にＧａ含有化合物及び／又はＩｎ含有化合物が存在するため、熱成長酸化物層１０５は、熱成長酸化物層１０５の動作温度で実質的に非晶質のままである。いかなる特定の理論にも束縛されることを望まないが、ケイ素系層１０４ｂ中のガリウム及び／又はインジウムは熱成長酸化物層１０５内に移動し、そうでなければこれらの温度で生じるであろう熱成長酸化物層（例えば、酸化ケイ素）の結晶化を抑制すると考えられる。
【００３３】
上述のように、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、セラミック部品１００内のケイ素系層１０４の特定の位置に関係なく、ケイ素系層１０４ａ、１０４ｂ内に含まれる。特定の実施形態では、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、酸化物又は窒化物の形態である。
【００３４】
例えば、Ｇａ含有化合物は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、又はそれらの混合物であり得る。Ｇａ含有化合物が酸化ガリウムを含む実施形態では、酸化ガリウムを別の酸化物内にドープしてもよい。例えば、Ｇａ含有化合物は、最大約１０モル％のＧａ２Ｏ３でドープされた、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、又はそれらの組み合わせであり得る。
【００３５】
一実施形態では、Ｇａ含有化合物はガリウム金属酸化物とすることができる。例えば、Ｇａ含有化合物は、一実施形態では、以下の式：
Ｇａ２−ｘＭｘＯ３
を有することができ、
ここで、Ｍは、ｘが０〜２未満であるＩｎ、ｘが０〜約１．４であるＡｌ、ｘが０〜約１．４であるＢ、ｘが０〜約１．４であるＦｅ、又はそれらの混合物である。一実施形態では、Ｍは、ｘが０より大きく２未満であるＩｎ、ｘが０より大きく約１．４までであるＡｌ、ｘが０より大きく約１．４までであるＢ、ｘが０より大きく約１．４までであるＦｅ、又はそれらの混合物であり、その結果、少なくとも１つの他の金属（Ｉｎ、Ａｌ、Ｂ、及び／又はＦｅ）がガリウム金属酸化物中に存在する。
【００３６】
一実施形態では、Ｇａ含有化合物は希土類ガリウム酸化物とすることができる。例えば、Ｇａ含有化合物は、一実施形態では、以下の式：
Ｌｎ４−ｘＤｘＧａ２−ｙＩｎｙＯ９
を有することができ、
ここで、Ｌｎは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、又はそれらの混合物であり、Ｄは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ＤはＬｎとは異なり（すなわち、ＤはＬｎとは異なる元素又はＬｎとは異なる元素の組み合わせであり）、ｙは０〜約１である（例えば、０≦ｙ≦０．５など、０≦ｙ≦１）。特定の一実施形態では、ｙは０より大きく約１までである（例えば、０＜ｙ≦０．５など、０＜ｙ≦１）。ＤがＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、又はそれらの混合物である（すなわち、Ｓｍの原子半径以上を有する）場合、ｘは０〜４未満である（例えば、０＜ｘ≦約２など、０＜ｘ＜４）。しかしながら、ＤがＥｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物である（すなわち、Ｓｍより小さい原子半径を有する）場合、ｘは０〜約２である（例えば、０＜ｘ≦約１など、０＜ｘ＜２）。
【００３７】
別の実施形態では、Ｇａ含有化合物は、以下の式：
Ｌｎ３Ｇａ５−ｘＭｘＯ１２
を有することができ、
ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、Ｍは、ｘが０〜５未満（例えば、０＜ｘ≦２．５など、０≦ｘ＜５）であるＩｎ、ｘが０〜５未満（例えば、０＜ｘ≦２．５など、０≦ｘ＜５）であるＡｌ、ｘが０〜５未満（例えば、０＜ｘ≦２．５など、０≦ｘ＜５）であるＦｅ、ｘが０〜約２．５（例えば、０≦ｘ≦２．５）であるＢ、又はそれらの組み合わせである。特定の一実施形態では、Ｍは、ｘが０より大きく約２．５まで（例えば、０＜ｘ≦２．５）、例えば約０．１〜約２（例えば、０．１≦ｘ≦２）であるＢである。一実施形態では、ｘは０より大きく（例えば、０．１〜約２）、その結果、Ｍの少なくとも１つ（例えば、Ｉｎ、Ａｌ、Ｆｅ、及び／又はＢ）がＧａ含有化合物中に存在する。
【００３８】
別の実施形態では、Ｉｎ含有化合物は、窒化インジウム（ＩｎＮ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、又はそれらの混合物であり得る。Ｉｎ含有化合物が酸化インジウムを含む実施形態では、酸化インジウムを別の酸化物内にドープしてもよい。例えば、Ｉｎ含有化合物は、最大約１０モル％のＩｎ２Ｏ３でドープされた、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、又はそれらの組み合わせであり得る。
【００３９】
一実施形態では、Ｉｎ含有化合物はインジウム金属酸化物とすることができる。例えば、Ｉｎ含有化合物は、一実施形態では、以下の式：
Ｉｎ２−ｘＭｘＯ３
を有することができ、
ここで、Ｍは、ｘが０〜２未満であるＧａ、ｘが０〜約１．４であるＡｌ、ｘが０〜約１．４であるＢ、ｘが０〜約１．４であるＦｅ、又はそれらの混合物である。一実施形態では、Ｍは、ｘが０より大きく２未満であるＧａ、ｘが０より大きく約１．４までであるＡｌ、ｘが０より大きく約１．４までであるＢ、ｘが０より大きく約１．４までであるＦｅ、又はそれらの混合物であり、その結果、少なくとも１つの他の金属（Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、及び／又はＦｅ）がインジウム金属酸化物中に存在する。
【００４０】
一実施形態では、Ｉｎ含有化合物は、以下の式：
Ｌｎ３Ｉｎ５−ｘＭｘＯ１２
を有することができ、
ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、Ｍは、ｘが０〜５未満（例えば、０＜ｘ≦２．５など、０≦ｘ＜５）であるＧａ、ｘが０〜５未満（例えば、０＜ｘ≦２．５など、０≦ｘ＜５）であるＡｌ、ｘが０〜５未満（例えば、０＜ｘ≦２．５など、０≦ｘ＜５）であるＦｅ、ｘが０〜約２．５（例えば、０≦ｘ≦２．５）であるＢ、又はそれらの組み合わせである。特定の一実施形態では、Ｍは、ｘが０より大きく約２．５まで（例えば、０＜ｘ≦２．５）、例えば約０．１〜約２（例えば、０．１≦ｘ≦２）であるＢである。一実施形態では、ｘは０より大きく（例えば、０．１〜約２）、その結果、Ｍの少なくとも１つ（例えば、Ｇａ、Ａｌ、Ｆｅ、及び／又はＢ）がＩｎ含有化合物中に存在する。
【００４１】
一実施形態では、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、以下の式：
Ｌｎ２−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＳｉ２Ｏ７
を有することができ、
ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０〜約１であり、ｙは０〜約１であり、ｘとｙの合計は０より大きい（すなわち、（ｘ＋ｙ）＞０）。一実施形態では、ｘとｙの合計は、０より大きく最大約１（すなわち、０＜（ｘ＋ｙ）≦約１）、例えば、約０より大きく最大約０．５（すなわち、０＜（ｘ＋ｙ）≦約０．５）である。
【００４２】
一実施形態では、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物は、以下の式：
Ｌｎ２−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＳｉ２Ｏ５
を有することができる。
【００４３】
ここで、Ｌｎは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの混合物であり、ｘは０〜約１であり、ｙは０〜約１であり、ｘとｙの合計は０より大きい（すなわち、（ｘ＋ｙ）＞０）。一実施形態では、ｘとｙの合計は、０より大きく最大約１（すなわち、０＜（ｘ＋ｙ）≦約１）、例えば、約０より大きく最大約０．５（すなわち、０＜（ｘ＋ｙ）≦約０．５）である。
【００４４】
図１〜図４の耐環境コーティング１０８は、希土類ケイ酸塩（モノ−及びジ−ケイ酸塩）、ムライト、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）、ハフニア、ジルコニア、安定化ハフニア、安定化ジルコニア、希土類ハフネート、希土類ジルコネート、希土類ガレートなどを含むがこれらに限定されない、典型的なＥＢＣ又はＴＢＣ層化学から選択される材料から形成される１つ又は複数の層の任意の組み合わせを含むことができる。
【００４５】
図１〜図４のセラミック部品１００は、高温環境で見られる部品、例えば、燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド、及びベーンのようなガスタービンエンジンに存在する部品としての使用に特に適している。特に、タービン部品は、ガスタービンの高温ガス経路内に配置されるＣＭＣ部品であり得、その結果、そのコーティングは、部品上に耐環境コーティングを形成し、高温ガス経路に曝されたときにガスタービン内の部品を保護する。
【００４６】
図５は、本開示の例示的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。より具体的には、図５の実施形態では、ガスタービンエンジンは、本明細書で「ターボファンエンジン１０」とも呼ばれる、高バイパスターボファンジェットエンジン１０である。図５に示すように、ターボファンエンジン１０は、（参照用に提供された長手方向中心線１２と平行に延びる）軸方向Ａ及び半径方向Ｒを画定する。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１４と、ファンセクション１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１６と、を含む。ターボファンエンジン１０を参照して以下に説明されるが、本開示は、産業用及び船舶用ガスタービンエンジン並びに補助動力ユニットを含む、ターボジェット、ターボプロップ及びターボシャフトガスタービンエンジンを含むターボ機械全般に適用可能である。
【００４７】
図示の例示的なコアタービンエンジン１６は、概して、環状入口２０を画定する実質的に管状の外側ケーシング１８を含む。外側ケーシング１８は、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２２及び高圧（ＨＰ）圧縮機２４を含む圧縮機セクションと、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８及び低圧（ＬＰ）タービン３０を含むタービンセクションと、ジェット排気ノズルセクション３２と、を直列流れ関係で収容する。高圧（ＨＰ）シャフト又はスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動連結する。低圧（ＬＰ）シャフト又はスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動連結する。
【００４８】
図示の実施形態において、ファンセクション１４は、間隔をあけてディスク４２に結合された複数のファンブレード４０を有する可変ピッチファン３８を含む。図示のように、ファンブレード４０は、ディスク４２からほぼ半径方向Ｒに沿って外向きに延びている。各ファンブレード４０は、一斉にファンブレード４０のピッチをまとめて変化させるように構成された適切な作動部材４４に動作可能に連結されているため、ピッチ軸Ｐを中心にディスク４２に対して回転可能である。ファンブレード４０、ディスク４２、及び作動部材４４は、任意の動力ギアボックス４６を横切ってＬＰシャフト３６によって長手方向軸１２の周りで共に回転可能である。動力ギアボックス４６は、ＬＰシャフト３６の回転速度をより効率的な回転ファン速度に低下させるための複数のギアを含む。
【００４９】
さらに図５の例示的な実施形態を参照すると、ディスク４２は、複数のファンブレード４０を通る空気流を促進するように空気力学的に輪郭付けされた（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ）回転可能なフロントナセル４８によって覆われている。さらに、例示的なファンセクション１４は、ファン３８及び／又はコアタービンエンジン１６の少なくとも一部を円周方向に囲む環状ファンケーシング又は外側ナセル５０を含む。ナセル５０は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された出口ガイドベーン５２によってコアタービンエンジン１６に対して支持されるように構成されてもよいことが、理解されるべきであろう。さらに、ナセル５０の下流セクション５４は、それらの間にバイパス空気流路５６を画定するように、コアタービンエンジン１６の外側部分にわたって延在することができる。
【００５０】
ターボファンエンジン１０の運転中、ある量の空気５８が、ナセル５０及び／又はファンセクション１４の関連する入口６０を通ってターボファン１０に入る。ある量の空気５８がファンブレード４０を通過すると、矢印６２で示す空気５８の第１部分はバイパス空気流路５６に向けられるか又は送られ、矢印６４で示す空気５８の第２部分はＬＰ圧縮機２２に向けられるか又は送られる。空気の第１部分６２と空気の第２部分６４との間の比は一般に、バイパス比として知られている。次いで、空気の第２部分６４の圧力は、それが高圧（ＨＰ）圧縮機２４を通って燃焼セクション２６に送られるにつれて増加し、そこで燃料と混合され、そして燃焼されて燃焼ガス６６を提供する。
【００５１】
燃焼ガス６６は、ＨＰタービン２８を通って送られ、そこで、燃焼ガス６６からの熱エネルギー及び／又は運動エネルギーの一部が、外側ケーシング１８に結合されたＨＰタービンステータベーン６８及びＨＰシャフト又はスプール３４に結合されたＨＰタービンロータブレード７０の連続段階によって抽出され、こうしてＨＰシャフト又はスプール３４を回転させ、それによって、ＨＰ圧縮機２４の動作を支持する。次いで、燃焼ガス６６は、ＬＰタービン３０を通って送られ、そこで、熱エネルギー及び運動エネルギーの第２部分が、外側ケーシング１８に結合されたＬＰタービンステータベーン７２及びＬＰシャフト又はスプール３６に結合されたＬＰタービンロータブレード７４の連続段階によって燃焼ガス６６から抽出され、こうしてＬＰシャフト又はスプール３６を回転させ、それによって、ＬＰ圧縮機２２の動作及び／又はファン３８の回転を支持する。
【００５２】
燃焼ガス６６はその後、コアタービンエンジン１６のジェット排気ノズルセクション３２を通って送られて、推進推力（ｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅ  ｔｈｒｕｓｔ）を提供する。同時に、空気の第１部分６２がターボファン１０のファンノズル排気セクション７６から排気される前にバイパス空気流路５６を通って送られるにつれて、空気の第１部分６２の圧力が実質的に上昇し、また推進推力を提供する。ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、及びジェット排気ノズルセクション３２は、コアタービンエンジン１６を通って燃焼ガス６６を送るための高温ガス経路７８を少なくとも部分的に画定する。
【００５３】
セラミック部品を被覆するための方法もまた、一般に提供される。一実施形態では、本方法は、セラミック部品の表面に直接ボンドコーティングを施すステップを含み、ここで、ボンドコーティングは、上記のように、ケイ素含有材料（例えば、ケイ素金属及び／又はケイ化物）と、Ｇａ含有化合物、Ｉｎ含有化合物、又はそれらの混合物の少なくとも１つと、を含む。
【００５４】
本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために、また、任意の装置又はシステムを製造及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を当業者が実施することを可能にするために、実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語とは異ならない構造的要素を含む場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語とは実質的には異ならない同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００５５】
１００      セラミック部品
１０２      基板
１０３      表面
１０４ａ    ケイ素系層
１０４ｂ    ケイ素系層、外層
１０５      熱成長酸化物層
１０６      コーティング
１０８      耐環境コーティング
１０        ターボファンエンジン
１２        長手方向中心線
１４        ファンセクション
１６        コアタービンエンジン
１８        外側ケーシング
２０        環状入口
２２        ブースタ又は低圧圧縮機
２４        高圧圧縮機
２６        燃焼セクション
２８        高圧タービン
３０        低圧タービン
３２        ジェット排気ノズルセクション
３４        高圧シャフト又はスプール
３６        低圧シャフト又はスプール
３８        可変ファンピッチ
４０        ファンブレード
４２        ディスク
４４        作動部材
４６        動力ギアボックス
４８        フロントナセル
５０        ナセル
５２        出口ガイドベーン
５４        下流セクション
５６        バイパス空気流路
５８        空気
６０        入口
６２        空気の第１部分
６４        空気の第２部分
６６        燃焼ガス
６８        ＨＰタービンステータベーン
７０        ＨＰタービンロータブレード
７２        ＬＰタービンステータベーン
７４        ＬＰタービンロータブレード
７６        ファンノズル排気セクション
７８        高温ガス経路
【図１】
2019529314.tif 000003
【図２】
2019529314.tif 000004
【図３】
2019529314.tif 000005
【図４】
2019529314.tif 000006
【図５】
2019529314.tif 000007
【国際調査報告】
2019529314.tif 000008
2019529314.tif 000009